Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θρακης Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και διοίκησης Μαθημα: Τεχνολογία των Υλικών Καθηγητής: Ι. Σιούρης Επιμέλεια εργασίας: Βογιατζή Χρυσοστόμη ΑΜ: 91110
Είναι το μεγαλύτερο ερευνητικό κέντρο στον κόσμο που ασχολείται με πειράματα Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων. Βρίσκεται βορειοδυτικά και λίγο έξω από την πόλη της Γενεύης. Σκοπός του CERN είναι η κατασκευή επιταχυντών και εγκαταστάσεων για πειράματα Το CERN ιδρύθηκε στις 29 Σεπτεμβρίου 1954 από 12 ευρωπαϊκές χώρες: Βέλγιο, Δανία, Δ. Γερμανία, Γαλλία, Ιταλία, Νορβηγία, Σουηδία, Ελβετία, Ολλανδία, Ηνωμένο Βασίλειο, Γιουγκοσλαβία και Ελλάδα. Σήμερα οι χώρες – μέλη έχουν φθάσει τις 201
Είναι ο μεγαλύτερος και ισχυρότερος επιταχυντής σωματιδίων στον κόσμο Χρησιμοποιείται από σχεδόν 10.000 φυσικούς, από περισσότερες από 80 χώρες, για την αναζήτηση των σωματιδίων που θα διευκρινίσουν τη σειρά των γεγονότων που διαμόρφωσαν το Σύμπαν. Ο LHC στεγάζεται σε μια σήραγγα μήκους 27 km και πλάτους 3,8 m, περίπου 100 m κάτω από την επιφάνεια του εδάφους
Στον LHC θα συγκρουστούν δύο αδρόνια -είτε πρωτόνια είτε πυρήνες μολύβδου- με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός. τα σωματίδια που θα δημιουργηθούν κατά τη σύγκρουση θα ανιχνευθούν και θα μετρηθούν Το πείραμα θα επαναλαμβάνεται μέχρι 600 εκατομμύριο φορές ανά δευτερόλεπτο, για πολλά έτη. Οι συγκρούσεις θα μελετηθούν από τους τρεις από τέσσερις ανιχνευτές του (ATLAS, CMS, LHCb και ALICE).
a) b) c) d)
Όπως και κάθε άλλος επιταχυντής σωματιδίων, ο LHC αποτελείται από τρία κύρια μέρη: τους σωλήνες των δεσμών τις δομές επιτάχυνσης το σύστημα μαγνητών 4 ανιχνευτές
Οι ανιχνευτές LHC σχεδιάστηκαν, κατασκευάστηκαν και επιβλέπονται από διεθνείς συνεργασίες, φέρνοντας κοντά επιστήμονες από ιδρύματα από όλον τον κόσμο. , υπάρχουν τέσσερεις μεγάλα (ATLAS, CMS, LHCb και ALICE) και δύο μικρά (ΤΟΤΈΜ, LHCf) πειράματα στον LHC. Ο σχεδιασμός και η κατασκευή των ανιχνευτών διάρκεσε 20 έτη η συνολική διάρκεια των πειραμάτων είναι σχεδόν ίση με τη διάρκεια ολόκληρης της σταδιοδρομίας ενός φυσικού.
Μέγεθος: 26m μήκος, 16m υψηλό, 16m πλάτος Βάρος: 10.000 τόνοι Τοποθεσία: St Genis-Pouilly, Γαλλία Το ALICE είναι κατασκευασμένο με έμφαση στην μελέτη συγκρούσεων βαρέων ιόντων Σκοπό έχει τη δημιουργία πλάσματος κουάρκγλουονίων.
Dipole Magnet Ένας δίπολος μαγνήτης είναι ένας ηλεκτρομαγνήτης χρησιμοποιείται σε επιταχυντές σωματιδίων για να δημιουργήσει ένα ομοιογενές μαγνητικό πεδίο Όταν ένα σωματίδιο εγχύεται σε ένα δίπολο μαγνήτη θα μεταβεί σε μια κυκλική ή ελικοειδή τροχιά. ITS Εσωτερικό σύστημα παρακολούθησης αποτελείται από έξι κυλινδρικά στρώματα των ανιχνευτών πυριτίου . Το ITS θα αναγνωρίζουν τα σωματίδια που περιέχουν βαρέα κουάρκ,
TPC Ο TPC ιονίζει τα φορτισμένα σωματίδια που διέρχονται τα αέρια του. TRD Διακρίνει τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια από άλλα φορτισμένα σωματίδια με την εκπομπή ακτινοβολίας μετάβασης , ακτίνες Χ PHOS έχει σχεδιαστεί για τη μέτρηση της θερμοκρασίας των συγκρούσεων με την ανίχνευση φωτονίων που πηγάζουν από αυτά. Muon Filter Το μιόνιο φασματόμετρο μετρά ζεύγη των μιονίων, ιδίως αυτά που προέρχονται από τις διασπάσεις του J / ψ και Ύψιλον σωματίδια. Είναι κατασκευασμένο από ειδικό συνθετικό υλικό, το οποίο είναι εξαιρετικά άκαμπτο αλλά πολύ λεπτο
Μέγεθος: 46 μ., 25 μ. και 25 μ. πλάτος. Ο ανιχνευτής ATLAS είναι ο μεγαλύτερος ανιχνευτής σωματιδίων όγκο που κατασκευάστηκε ποτέ. Βάρος: 7000 τόνοι Τοποθεσία: Meyrin, Ελβετία. Έχει ως σκοπό την παρατήρηση φαινομένων που δε μπορούσαν να παρατηρηθούν σε χαμηλότερης ενέργειας επιταχυντές, και τα οποία μπορεί να οδηγήσουν σε νέες θεωρίες γύρω από τη Βασική Θεωρία. Όταν συγκρούονται σωματίδια στο κέντρο του, μπορεί να δημιουργηθούν ένα σύνολο νέων σωματιδίων
Τα μέρη του ανιχνευτή
1. Σωλήνας Δέσμης 2. Εσωτερικός ανιχνευτής 3. Καλορίμετρα 4. Ανιχνευτές μονίων 5. Σύστημα μαγνητών
1 . Ο σωλήνας Δέσμης είναι ο σωλήνας που θα διατρέχει κατά μήκος το κέντρο του ανιχνευτή μέσα στον οποίο τα πρωτόνια θα επιταχύνονται και θα συγκρούονται. α) Σε κάθε δέσμη θα έχουμε 2808 πακέτα πρωτονίων, όπου σε κάθε πακέτο υπάρχουν 100 δις πρωτόνια. β) Σε κάθε συνάντηση δύο πακέτων έχουμε 23 γεγονότα στον ανιχνευτή γ) Τα γεγονότα θα συμβαίνουν κάθε 25 δευτερόλεπτα.
2. Ο εσωτερικός ανιχνευτής ξεκινά λίγα εκατοστά μακριά από τον άξονα της δέσμης πρωτονίων σε μια ακτίνα 1,2 m και σε μήκος 7m. Κύρια λειτουργία του να ανιχνεύει τα φορτισμένα σωματίδια. Ο εσωτερικός ανιχνευτής αποτελείται από τα εξής μέρη:
a)
b)
c)
d)
e)
Pixel Detector
έχει τρεις δίσκους και τρία στρώματα σε κάθε καπάκι του Αποτελείται από 1744 κομμάτια, το καθένα 2cm x 6cm Το υλικό του είναι 250 μm πάχους πυρίτιο
Κάθε ένα από τα 1744 κομμάτια του ανιχνευτή περιέχει 16 chips που δίνουν πληροφορίες καθώς και κάποια άλλα ηλεκτρονικά εξαρτήματα Ο συνολικός αριθμός των καναλιών που μας δίνουν πληροφορίες είναι 80 εκατομμύρια ( το 50% των συνολικών καναλιών ολόκληρου του ανιχνευτή
a)
b)
c)
d)
e)
Semi-Conductor tracker (SCT)
Αποτελεί το μεσαίο μέρος του εσωτερικού ανιχνευτή Είναι παρόμοιος σε λειτουργία και ιδέα με τον Pixel Detector με την διαφορά ότι αποτελείται από λωρίδες πυριτίου, αντί για κομμάτια pixel Αποτελείται από 4 διπλά στρώματα λωρίδων πυριτίου Τα κανάλια του, που δίνουν πληροφορίες είναι 2,6 εκατομμύρια Η συνολική του επιφάνεια είναι 61
TRT tracker a)
b)
c)
Αποτελεί ανιχνευτή ακτινοβολίας που εκπέμπουν τα σωματίδια Τα στοιχεία που τον συνθέτουν είναι πολλοί μικροί σωλήνες, οι οποίοι σε αριθμό είναι 351.000, ο καθένας από τους οποίους έχει διάμετρο 4mm και μήκος 144cm
Δίνει μια πιο ευρεία ανάλυση από τα άλλα μέρη του ανιχνευτή
a)
b)
Κάθε σωλήνας γεμίζεται με αέριο που μόλις περάσει ένα φορτισμένο σωματίδιο αυτό ιονίζεται. Έτσι δημιουργείται ένα ρεύμα από ιόντα που κινούνται προς το υψηλής τάσης καλώδιο στο κέντρο του σωλήνα και με τον συνδυασμό όλων των σωμάτων που δημιουργούνται, προσδιορίζεται η τροχιά του σωματιδίου
Σωματίδια συγκεκριμένης ενέργειας, όσο πιο ελαφριά είναι τόσο μεγαλύτερη ταχύτητα έχουν (άρα τα ηλεκτρόνια, τα πιο ελαφριά φορτισμένα μπορούν να αναγνωριστούν εδώ ως τα σωματίδια με το ισχυρότερο σήμα
3. Τα καλορίμετρα είναι τοποθετημένα μετά τον σωληνοειδή μαγνήτη που βρίσκεται γύρο από τον εσωτερικό ανιχνευτή. Μετράνε το ποσό της ενέργειας κάθε σωματιδίου απορροφώντας την. Τα καλορίμετρα αποτελούνται από δύο μέρη:
Ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο (Tile Calorimeter) a) Σκοπός του είναι να απορροφά την ενέργεια των σωματιδίων που αλληλεπιδρούν ηλεκτρομαγνητικά, δηλαδή τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια b) Το υλικό που απορροφά την ενέργεια είναι μόλυβδος (1.5mm πάχος) και εκεί προκαλείται βροχή σωματιδίων και το υλικό που ανιχνεύει το σήμα είναι υγρός άργυρος
c) Απαραίτητη είναι η παρουσία κρυοστάτη γύρο από το ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο για να κρατάει την θερμοκρασία του χαμηλά d) Έχει μεγάλη ακρίβεια και στο ποσό της ενέργειας που ανιχνεύει, αλλά και στο σημείο που η ενέργεια αυτή εναποτέθηκε
a)
b)
c)
Ανδρονικό καλορίμετρο (Liquid Argon Calorimeter) Ανδρόνια είναι τα ισχυρά αλληλεπιδρώντα σωμάτια που είναι κατασκευασμένα από δυο τύπους quark: βαρυόνια (3 quark) και μεσόνια ( ζεύγος quarkantiquark) Είναι ένας μεταλλικός πίνακας με πλάκες-σπινθηριστές που μετασχηματίζουν τις ενέργειες των ανδρονίων σε ένα πλήθος σωματιδίων χαμηλής ενέργειας Το φως που δημιουργείται στους σπινθηριστές μεταφέρεται μέσω οπτικών ινών σε φωτοπολλαπλασιαστές που είναι τοποθετημένοι έξω από το καλορίμετρο
4. Το φασματόμετρο των μονίων βρίσκεται αμέσως μετά το σύστημα των καλοριμέτρων και φτάνει μέχρι την άκρη του ανιχνευτή. Τα μιόνια είναι τα μόνα που φτάνουν μέχρι αυτό το μέρος του ανιχνευτή, οπού εκεί προσδιορίζονται οι ορμές και τα φορτία τους με μεγάλη ακρίβεια.
5. Το σύστημα μαγνητών αποτελείται από 3 υποσυστήματα υπεραγώγιμων μαγνητών: τον σωληνοειδή μαγνήτη, 8 μαγνήτες τοποθετημένους κυκλικά γύρο από το κέντρο του ανιχνευτή και τα 2 καπάκια στα άκρα του ανιχνευτή. Δημιουργεί ένα σταθερό και προβλέψιμο μαγνητικό πεδίο και η καμπύλωση των τροχών των φορτισμένων σωματιδίων βοηθά στην αναγνωρισή τους. Δύο από τους σημαντικότερους μαγνήτες είναι:
a)
b)
c)
8 επίπεδα υπεραγώγιμα πηνία, το καθένα 25m μήκος και 5m πλάτος, τοποθετημένα σε σπειροειδές σχήμα ( τα 8 πηνία συγκρατούνται στις θέσεις τους με 16 κυκλικά στηρίγματα) Το ολικό βάρος τον πηνίων είναι 830 τόνοι, το ρεύμα λειτουργία 20.500 Α και το μέγιστο μαγνητικό πεδίο 4Τ
Τα δυο καπάκια του μαγνήτη παρέχουν μαγνητικό πεδίο σε ένα ακτινικό άνοιγμα από 1,5m μέχρι 5m
a)
b)
c)
Σχεδιάστηκε να παρέχει 2 Tesla μαγνητικό πεδίο στο κεντρικό μέρος του ανιχνευτή Είναι υπεραγώγιμος μαγνήτης με το μικρότερο δυνατό ακτινικό πάχος και σύστημα ψύξης που βρίσκεται σε επαφή με αυτόν και το μοιραζεται με το liquid argon καλορίμετρο. Η αποθηκευμένη ενέργεια του είναι 39MJ,το ρεύμα λειτουργίας του 7.600 Α, βάρος 56 τόνους, ακτίνα 1.229m, πάχος 45mm και θερμοκρασία λειτουργίας 48Κ
Μέγεθος: 21 μ. μήκος, 15 μ. πλάτος και 15 μ. ύψος. Βάρος: 12 500 τόνους Τοποθεσία: Cessy, Γαλλία. Ο CMS είναι ο δεύτερος μεγαλύτερος γενικης χρήσης ανιχνευτής σωματιδίων. Βασικός σκοπός του είναι η απόδειξη της ύπαρξης του μποζονίου Higgs, το οποίο εξηγεί την ύπαρξη μάζας στα στοιχειώδη σωματίδια. Θα μπορέσουμε από τα αποτελέσματά του να βγάλουμε συμπεράσματα για θεωρίες πέρα από το Βασικό Μοντέλο, όπως η υπερσυμμετρία και οι έξτρα διαστάσεις.
Ηλεκτρομαγνητικό Θερμιδόμετρο ( Superconducting magnet) Περίπου 80000 κρύσταλλοι από κράμα μολύβδου βολφραμίου (PbWO4) χρησιμοποιούνται για την ακριβή μέτρηση της ενέργειας ηλεκτρονίων και φωτονίων.
Αδρονικό θερμιδόμετρο (HCAL) Στρώματα πυκνού υλικού (από ορείχάλκο ή χάλυβα), εναλλασσόμενα με πλαστικούς σπινθηριστές ή κρυσταλλικές ίνες, επιτρέπουν τον καθορισμό της ενέργειας των αδρονίων, δηλαδή, σωματιδίων όπως τα πρωτόνια, νετρόνια, πιόνια και καόνια.
Ανιχνευτής Tροχιών (Tracker) Λεπτά διαχωρισμένοι αισθητήρες πυριτίου (σε μορφή λωρίδων ή ψηφίδων) επιτρέπουν την ανίχνευση της τροχιάς και τη μέτρηση της ορμής των φορτισμένων σωματιδίων.
Ανιχνευτές Mιονίων (Muon Chambers) Μόνια: Τα στοιχειώδη σωματίδια που ανήκουν στα λεπτόνια καιτέχουν ίδιο φορτίο με τα ηλεκτρόνια, με την διαφορά ότι η μάζα τους είναι 207 φορές μεγαλύτερη από αυτή των μονίων. Για την ταυτοποίηση των μιονίων (που ουσιαστικά είναι βαριά ηλεκτρόνια) και τη μέτρηση της ορμής τους, το CMS χρησιμοποιεί τρεις τύπους ανιχνευτών: σωληνωειδείς θαλάμους ολίσθησης, θαλάμους καθοδικών λωρίδων και θαλάμους αγωγίμων επιφανειών.
Μέγεθος: 21m μήκος Βάρος: 5600 τόνοι Τοποθεσία: Ferney-Voltaire, Γαλλία. Ο LHCb είναι ο ανιχνευτής του LHC που μπορεί να μετρά τις παραμέτρους παραβίασης της συμμετρίας CP στις αντιδράσεις μεταξύ ανδρονίων b (βαρέα σωματίδια που περιέχουν ένα κάτω κουάρκ). Η ονομασία beauty (ο-μορφιά) αναφέρεται στο ομόνυμοκάτω κουάρκ.Σκοπός του LHCb είναι να βρει τισυνέβει μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το οποίο επέτρεψε στην ύλη να μην αντιδράσει με την αντιύλη, με αποτέλεσμα τη δημιουργία του σύμπαντος
Η ανακάλυψή του θα βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση της δημιουργίας του σύμπαντος λύνοντας θέματα, στη θεωρία της μεγάλης έκρηξης, αμέσως μετά τα πρώτα κλάσματα του δευτερόλεπτου της γέννησης του σύμπαντος. Το μποζόνιο αυτό πήρε το όνομά του από τον Βρετανό καθηγητή φυσικής Πίτερ Χιγκς (Peter Higgs), ο οποίος πρότεινε την ύπαρξή του. Η ανακάλυψη του σωματιδίου Χιγκς είναι σημαντικό βήμα για την έναρξη της θεωρητικής και πειραματικής διερεύνησης της θεωρίας της υπερσυμμετρίας